張　偉

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110141）

往復(fù)式活塞隔膜泵油缸及油缸壓蓋剛度分析

張偉

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110141）

活塞部裝是往復(fù)式活塞隔膜泵的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在工作過程中容易出現(xiàn)活塞桿、活塞及油缸中心軸不對中導(dǎo)致活塞密封圈嚴重磨損引起漏油和串油等事故，分析原因是由于活塞部裝零件剛度設(shè)計不足，變形過大引起的。因此，活塞部裝零件足夠的剛度是保證活塞部裝穩(wěn)定運行的重要因素。本文以腔體、油缸及油缸壓蓋組成的裝配體模型為研究對象，采用Adina軟件的接觸非線性分析功能，對油缸及油缸壓蓋的變形進行計算，獲得了油缸及油缸壓蓋的各方向變形，并進行剛度校核；同時對兩種不同厚度的油缸壓蓋分別進行分析，對比了不同厚度油缸壓蓋對裝配體剛度的影響，獲得了滿足剛度要求的油缸壓蓋設(shè)計。

活塞部裝；油缸壓蓋；Adina；裝配體分析

0.前言

隔膜泵活塞部裝主要由腔體、油缸、油缸壓蓋、活塞、活塞桿、密封圈（墊）、螺栓等零件組成。隔膜泵動力端推動活塞桿及活塞做往復(fù)直線運動，活塞通過壓縮油缸里的液壓油，推動隔膜做直線往復(fù)運動，進而完成料漿的輸送。利用活塞部裝完成隔膜往復(fù)運動，具有無須減速裝置，使隔膜運行平穩(wěn)的優(yōu)點。隨著輸送壓力及流量的不斷增大，隔膜泵運行過程中活塞部裝發(fā)生漏油、串油、活塞桿與油缸壓蓋卡死的風險也不斷增大。油缸與油缸壓蓋設(shè)計剛度不滿足要求是導(dǎo)致上述問題的原因之一，本文設(shè)計了一種油缸壓蓋的新結(jié)構(gòu)，需要對油缸壓蓋的剛度進行校核，避免由于油缸壓蓋剛度不足，造成油缸不均勻變形，引起油缸、腔體、活塞桿中心軸不重合，導(dǎo)致活塞密封圈嚴重磨損，發(fā)生漏油事故，甚至導(dǎo)致活塞桿與油缸壓蓋卡死，造成設(shè)備停車，引起不必要的損失。

目前，已有相關(guān)工程師對活塞部裝密封、結(jié)構(gòu)強度、剛度設(shè)計等方面進行了大量研究，同時制定了相關(guān)設(shè)計標準。

本文采用仿真模擬的手段對腔體、油缸及油缸壓蓋裝配體模型進行分析，分析平臺選用Adina，通過分析得到工作狀態(tài)下油缸和油缸壓蓋的變形結(jié)果，對其剛度進行校核。對兩種厚度的油缸壓蓋的變形進行對比分析，得出增大油缸壓蓋厚度有利于降低油缸和油缸壓蓋的變形，有利于活塞部裝密封和對中性。

1.腔體油缸及油缸壓蓋裝配分析

1.1幾何模型

將腔體、油缸及油缸壓蓋裝配體作為研究對象，簡化掉對強度分析影響不大的小圓孔、倒角、圓角等小幾何特征，由于模型對稱，采用一半模型進行分析。簡化后的腔體、油缸及油缸壓蓋裝配體三維幾何模型如圖1所示。

1.2有限元模型

本文對腔體、油缸及油缸壓蓋組成的裝配體進行分析，將三維模型導(dǎo)入Adina軟件，采用四節(jié)點四面體單元進行自由網(wǎng)格劃分，接觸面處網(wǎng)格要保證規(guī)則性，以避免應(yīng)力奇異。腔體和油缸材料為高合金鋼、油缸壓蓋材料為45#鋼，材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，45#鋼材料的屈服極限為355MPa。建立的有限元模型如圖2所示。

有限元模型的約束和載荷如下：約束腔體端面豎直方向和沿軸線方向的位移；腔體、油缸及油缸壓蓋對稱面施加對稱約束；腔體與油缸接觸面、油缸與油缸壓蓋接觸面之間分別定義面面接觸，接觸面間摩擦系數(shù)為0.1；腔體與油缸壓蓋之間的螺栓連接利用beam單元模擬，并施加螺栓預(yù)緊力367889N；腔體與油缸內(nèi)表面承壓部位施加4MPa油液壓強。邊界條件如圖2所示。

圖1　腔體、油缸及油缸壓蓋裝配體幾何模型

圖2　腔體、油缸及油缸壓蓋有限元模型及邊界條件

2.計算結(jié)果

本文分別分析了油缸壓蓋厚度為45mm和55mm時，油缸及油缸壓蓋的變形情況，結(jié)果分別列在2.1節(jié)和2.2節(jié)。

2.1油缸壓蓋厚度為45mm時的結(jié)果

當油缸壓蓋厚度為45mm時，對腔體、油缸及油缸壓蓋組成的裝配體模型進行分析，分別提取模型整體、油缸和油缸壓蓋的總變形、沿軸線方向變形及豎直方向變形結(jié)果，如圖3～圖5所示。

將裝配體整體、油缸與油缸壓蓋位移計算結(jié)果列入表1中。

表1　油缸及油缸壓蓋變形結(jié)果

2.2油缸壓蓋厚度為55mm時的結(jié)果

當油缸壓蓋厚度增加為55mm時，對腔體、油缸及油缸壓蓋組成的裝配體模型進行分析，分別提取模型整體、油缸和油缸壓蓋的總變形、沿軸線方向變形及豎直方向變形結(jié)果，如圖6～圖8所示。

圖3　裝配體位移云圖

圖4　油缸位移云圖

圖5　油缸壓蓋位移云圖

圖6　裝配體位移云圖

圖7　油缸位移云圖

圖8　油缸壓蓋位移云圖

將裝配體整體、油缸與油缸壓蓋位移計算結(jié)果列入表2中。

表2　油缸及油缸壓蓋變形結(jié)果

結(jié)論

將表1和表2中腔體、油缸及油缸壓蓋裝配體變形結(jié)果進行對比分析，可得到如下結(jié)論：

將油缸壓蓋厚度增大10mm，顯著減小了油缸裝配體軸向和豎向的變形量，提高了裝配體整體剛度，有利于保持腔內(nèi)油壓的穩(wěn)定性。減小了油缸與油缸壓蓋軸向和豎向的變形量，避免由于變形過大導(dǎo)致油缸中心軸偏離，造成活塞密封圈嚴重磨損事故發(fā)生。

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